微生物的神秘DNA有助於擊敗病毒,並具有基因組編輯潛力

2020-11-25 騰訊網

噬菌體病毒落在細菌上以插入其基因，但它可能能夠用稱為逆轉錄的奇怪遺傳武器進行反擊

七年前，對自然的了解激發了一項革命性的新技術，當時研究人員將細菌用來阻止病毒的防禦系統轉變為現在稱為CRISPR的基因編輯工具。但是，對於另一位新興的基因編輯人員，這種理解落後於應用程式。幾年來，研究人員一直在將逆轉錄酶（某些細菌中發現的DNA，RNA和蛋白質的神秘複合物）改編成改變單細胞生物基因組的潛在強大方法。現在，生物學正在迎頭趕上，因為有兩組報告顯示，像CRISPR一樣，逆轉錄酶是細菌免疫武器庫的一部分，可保護微生物免受稱為噬菌體的病毒的侵害。

上周，在《細胞》雜誌上，一個小組描述了特定的逆轉錄如何防禦細菌，觸發新感染的細胞自我破壞，從而使病毒無法複製並傳播給他人。該小區紙「是第一個具體確定逆轉錄子的自然功能，」安娜·西蒙，在東街治療合成生物學家誰研究細菌古怪說。迄今為止，僅作為預印本出現的另一篇論文報告了類似的發現。

對復古物的自然功能的新理解可以促進使它們起作用的努力。韋茲曼科學研究所的微生物基因組學家，細胞研究的作者羅特姆·索雷克（Rotem Sorek）說，逆轉錄是「用於準確有效地進行基因組編輯的相當有效的工具」 。但是它們還不能與CRISPR競爭，部分原因是該技術還沒有在哺乳動物細胞中發揮作用。

在1980年代，研究土壤細菌的研究人員迷惑不解，發現許多亂拋垃圾的單鏈DNA短序列。當他們得知DNA的每一位都以互補的鹼基序列連接到RNA時，這個謎團加深了。最終，他們意識到一種叫做逆轉錄酶的酶可以使附著的RNA產生DNA，而所有三個分子（RNA，DNA和酶）形成複合物。

在許多細菌中發現了類似的被稱為逆轉錄酶逆轉錄酶的構建體。德克薩斯大學奧斯汀分校的生物物理學家伊利亞·芬克爾斯坦（Ilya Finkelstein）說：「它們確實是傑出的生物實體，但沒人知道它們的用途。」

當Sorek和他的同事們通過38,000個細菌基因組搜索用於抵抗噬菌體的基因時，就對它們的功能有了早期的暗示。這樣的基因趨於彼此接近，他的團隊開發了一種電腦程式，尋找與CRISPR和其他已知抗病毒構建體基因相鄰的新防禦系統。一條DNA片段對魏茨曼（Weizmann）研究生Adi Millman來說很突出，因為它包含一個逆轉錄酶基因，其側翼是沒有編碼任何已知細菌蛋白的DNA片段。偶然地，她偶然發現了一篇有關追溯的論文，並意識到神秘的序列編碼了它們的RNA成分之一。「那是不平凡的飛躍，」索雷克說。

然後，研究小組注意到，編碼逆轉錄成分的DNA通常伴隨著一個蛋白質編碼基因，並且蛋白質在逆轉錄之間變化。該團隊決定測試其預感，即序列簇代表了新的噬菌體防禦。他們繼續表明，細菌需要全部三個成分（逆轉錄酶，DNA-RNA雜合和第二種蛋白質）才能抵抗多種病毒。

細菌如何抵抗

逆轉錄酶，DNA，RNA和一種蛋白質的奇特細菌複合物已經變成了基因編輯器，但現在有兩個研究小組表明細菌最初使用它們是為了抵制噬菌體病毒。

許多入侵的噬菌體攜帶抑制RecBCD的蛋白質基因，而RecBCD是細菌抵禦病毒的第一道防線。當它感覺到這個防禦系統已經被解除時，逆轉錄酶啟動了一個備用反應。3每個逆轉錄酶都與一種稱為效應器的蛋白質相關，這種蛋白質對細胞是有毒的。當需要備份時，逆轉錄酶激活這種毒素。4 Ec48激活的效應器會侵入並破壞細胞膜，因此細胞在病毒發生變化之前死亡複製效應器激活細胞自殺抑制因子ecbcd124細菌細胞ec48dnareverse轉錄酶

對於稱為Ec48的回顧，Sorek及其同事證明了相關蛋白通過歸巢在細菌的外膜上並改變其通透性而發出了妙招。研究人員得出結論，逆轉錄酶以某種方式「保護」了另一種分子複合物，這是細菌抗病毒防禦的第一道防線。Millman，Sorek及其小組於11月6日在Cell上報導，一些噬菌體會使複合物失活，從而觸發逆轉錄釋放出破壞膜的蛋白質並殺死受感染的 細胞。

第二小組也得出了類似的結論。通過阿薩納西Typas，歐洲分子生物學實驗室（EMBL），海德堡的微生物學家意識到旁邊編碼用於在一個retron的基因組導致 沙門氏菌 細菌是有毒的蛋白的基因 的沙門氏菌。研究小組發現，逆轉錄病毒通常將毒素隱藏起來，但是在噬菌體蛋白存在的情況下將其激活。

這兩個小組在2019年夏季的EMBL會議上開會。「很高興看到我們的工作具有互補性和融合性，」 Typas說。這些團隊同時在6月的bioRxiv上發布了其工作的預印本。（第二組的論文仍在期刊上審閱。）

甚至在這些發現之前，其他研究人員就利用了Retroson當時神秘的特徵來設計新的基因編輯器。CRISPR可以輕鬆地靶向並結合或切割基因組的所需區域，但是到目前為止，它還不十分擅長在靶DNA中引入新密碼。Retrons與CRISPR元件相結合，由於其逆轉錄酶的作用似乎更好：它們可以產生所需序列的許多拷貝，可以有效地剪接到宿主基因組中。西蒙說：「由於基於CRISPR的系統和逆轉錄技術具有不同的優勢，因此將它們結合在一起是極有前途的策略。」

2018年，亨特·弗雷澤（Hunter Fraser）史丹福大學實驗室的研究人員引入了追溯源的基礎編輯器，稱為CRISPEY（Cas9通過同源性追溯精確並行編輯）。首先，他們進行了追溯，其RNA與酵母基因匹配，但具有一個鹼基突變。他們將它們與CRISPR的「嚮導RNA」結合在一起，後者位於目標DNA上，而CAS9酶則充當CRISPR的分子剪刀。一旦CAS9切割了DNA，細胞的DNA修復機制就會用Retron逆轉錄酶產生的DNA取代酵母基因。

CRISPEY使史丹福大學的研究生Shi-An Anderson Chen和他的同事有效地製造了成千上萬個酵母突變體，每個突變體僅相差一個鹼基。這樣一來，他們就可以確定哪些鹼基對於酵母在葡萄糖中的生長至關重要。「 CRISPEY非常酷，功能非常強大，」弗雷德·哈欽森癌症研究中心的進化生物學家Harmit Malik說。今年，由哈佛大學遺傳學家喬治·丘奇和麻省理工學院合成生物學家蒂莫西·盧（Timothy Lu）領導的另外兩個小組在bioRxiv預印本中描述了類似的細菌壯舉。

研究人員對逆轉感到興奮，但請注意，他們有很多知識要學習如何將這些細菌之劍變成犁頭。Simon說：「逆轉錄可能會像CRISPR一樣具有革命性意義。」 「但是直到我們進一步了解逆轉錄的自然生物學和合成行為，才很難說。」

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